XIII Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2021

Процессы дегидрирования легких парафиновых углеводородов в России реализованы в промышленном масштабе. Двухстадийным дегидрированием изобутана и изопентана производят мономеры синтетического каучука − бутадиен и изопрен. Изопрен, полученный таким способом, считается дорогим, а процесс - энергоемким. Процесс подвергается постоянному усовершенствованию и существует благодаря доступности углеводородного сырья.

Одним из основных способов снижения себестоимости изопрена является внедрение в эксплуатацию более эффективных катализаторов. Особенно высокие требования к катализатору предъявляются на первой стадии дегидрирования изопентана в метилбутены, так как процесс ведется в «кипящем» слое катализатора, последний должен обладать повышенной механической прочностью и при этом низкой абразивностью. В противном случае эксплуатация катализатора приведет к износу оборудования.

В настоящее время в промышленности используется недостаточно прочный алюмохромовый катализатор марки ИМ-2201. При промышленной эксплуатации его расход повышен и составляет 15-20 кг на тонну продуктов дегидрирования, при этом возникает проблема утилизации токсичных отходов.

В связи с этим возникает интерес к каталитическим системам, синтезированным с использованием электромагнитного излучения сверхвысокочастотного (СВЧ) диапазона. Использование такого электромагнитного излучения СВЧ-диапазона позволяет повысить производительность, механическую прочность и термостабильность катализатора [1].

Воздействие сверхвысокочастотного поля на стадиях пропитки алюмооксидного носителя и сушки катализатора дает катализатор с высокими адсорбционной и каталитической активностью [2].

Кроме того, использование электромагнитного излучения ускоряет приготовление катализатора. Скорость сушки данного катализатора в СВЧ-поле выше скорости традиционной сушки конвективным методом [3].

Рассмотрим традиционную технологию дегидрирования изопентана. Дегидрирование происходит непрерывно в «кипящем» слое алюмохромового катализатора (схема технологии представлена на рисунке 1.

Смесь свежей и возвратной изопентановой фракций через сепаратор 1 поступает в испаритель 2. Испарение сырья происходит при температуре 80 °С и давлении 0,57 МПа. Из сепаратора пары изопентана поступают в перегреватель 3, затем в закалочный змеевик реактора 5, где перегреваются за счет теплоты контактного газа. Далее пары изопентана перегреваются в трубчатой печи 4 до 500—550 °С и поступают в реактор 5 под кипящий слой катaлизатора через распределительную решетку. Теплота, необходимая для реакции, подводится с горячим регенерированным катализатором, циркулирующим в системе реактор—регенератор.

Реактор секционирован тарелками провального типа (решетками), предназначенными для равномерного распределения потоков сырья и катализатора по сечению реактора и улучшения контакта между газовой и твердой фазами.

Для первичной очистки контактного газа от катализаторной пыли в реакторе установлены шесть параллельно работающих групп циклонов, по два последовательно включенных циклона в группе.

Рисунок 1 − Принципиальная схема традиционной технологии

дегидрирования изопентана

1 – сепаратор, 2 – испаритель, 3 – теплообменник, 4 – печь, 5 – реактор,

6 – регенератор, 7 – котел-утилизатор, 8 – скруббер, 9 – котел-утилизатор,

10 – электрофильтр, 11 – бункер, 12 – сепаратор, 13 – теплообменник,

14, 15 – насосы

В процессе движения катализатора в реакционных аппаратах и транспортных трубопроводах происходит разрушение зерен катализатора, что собственно обуславливает возникновение мелкой фракции, которая трудно улавливаема реакторными циклонами. В результате происходит вынос мелкой фракции катализатора потоком контактного газа. В котле-утилизаторе 7 запыленный углеводородный поток охлаждается до 250 °С и попадает в скруббер 8, разделенный глухой тарелкой. В скруббере 8, кроме охлаждения углеводородного потока происходит мокрая очистка от мелкой фракции катализатора. Разделение скруббера глухой тарелкой позволяет осуществлять его работу двумя водными циркуляционными потоками. Первичная циркуляция нижней части скруббера является основной очисткой углеводородов от катализаторной пыли, в результате чего образуется загрязненная шламовая вода с шестивалентным хромом, относящемуся к I классу опасности.

Количество шламовой воды может достигать 2400 т/ в год при мощности установки 100 000 т изоамиленов в год. Замена на более прочные катализаторы позволит снизить интенсивность образования мелкой фракции с 13 % до 5 % (от общей массы катализатора) и как следствие уменьшить унос катализатора контактным газом из реактора в 2,5 раза.

Данный факт позволяет заменить мокрую очистку запыленного углеводородного потока из реактора сухой очисткой. Таким образом, согласно усовершенствованной технологии дегидрирования (рис. 2), отходящий поток из реактора охладится в котле-утилизаторе 7 до 240 °С, очистка контактного газа от катализаторной пыли осуществляется в аппарате комплексной утилизации 11.

Рисунок 2 − Принципиальная схема усовершенствованной технологии

дегидрирования изопентана:

1 – сепаратор, 2 – испаритель, 3 – теплообменник, 4 – печь, 5 – реактор,

6 – регенератор, 7 – котел-утилизатор, 8 – котел утилизатор, 9 – электрофильтр,

10 – бункер, 11 – аппарат АКУ, 12 – сборник

Далее контактный газ с температурой 230−240 °С предлагается направить в теплообменник 3 (предназначенный для перегрева сырьевого потока ) взамен применяемого водяного пара. В ходе предложенной оптимизации схемы произойдет замена скруббера колонного типа аппаратом комплексной утилизации, тем самым, исчезнет необходимость в насосах и теплообменниках двухэтапной циркуляции промводы и в сепараторе 12 на рисунке 1, произойдет экономия водяного пара, идущего на подогрев сырья в теплообменник 3.

Сухая очистка контактного газа позволяет выделить пылевидный катализатор без отравления катализатора влагой. Такой факт дает возможность применить отработанный мелкодисперсный катализатор в качестве вторсырья синтеза катализатора суспензионным способом.

Таким образом, эксплуатация алюмохромового катализатора, приготовленного с применением электромагнитного поля, упрощает аппаратурное оформление технологии дегидрирования углеводородов, а так же снижает выбросы токсичных водных стоков и катализаторной пыли.

Наряду с этим, установлены увеличение выхода изоамиленов и рост селективности процесса на 1 %, годовая экономия водяного пара на перегрев испаренного сырья теплом контактного газа. Снижение коксующей способности приготовленных в СBЧ-поле катализаторов положительно сказывается на эффективности работы катализатора, уменьшается образование коксовых глыб в реакторе, деформирующих внутреннюю конструкцию реактора и нарушающих гидродинамический режим.

Список использованных источников

1. Пат. № 2539300 Российская Федерация, МПК В01J 37/34 B01 J 37/02 C07C 5/333. Способ приготовления катализатора для дегидрирования парафиновых углеводородов № 20141008174/04 : заявл. 10.01.2014 ; опубл. 20.01.2015. / Каримов О. Х., Даминев Р. Р., Касьянова Л. З., Каримов Э.Х. ; патентообладатель Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Уфимский

государственный нефтяной технический университет». − Текст : непосредственный.

2. Касьянова Л.З., Регулирование физико-химических свойств термоактивированного тригидрата алюминия / Л. З. Касьянова, О. Х. Каримов, Э. Х. Каримов. − Текст непосредственный // Башкирский химический журнал. − 2014.− Т.21.- № 3.− С.90-94.

3. Каримов О. Х., Даминев Р. Р., Касьянова Л. З. Исследование процесса сушки алюмохромового катализатора в электромагнитном поле СВЧ диапазона / О. Х. Каримов, Р. Р. Даминев, Л. З. Касьянова. − Текст : электронный // Нефтегазовое дело. − 2013. - № 3. – С. 291 – 300. - URL : http://ogbus.ru/autors/karimovokh/karimovokh_1.pdf (дата обращения 07.10.2020 ).

Научный руководитель: Тушакова З.Р. кандидат педагогических наук, доцент